Механические свойства

Под действием внешних сил материалы могут деформироваться, а после снятия внешних сил геометрические размеры материалов полностью или частично восстанавливаются. Основными качественными деформативными характеристиками являются упругость, пластичность и хрупкость. Упругость – это свойство материалов восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия внешних сил. Пластичность характеризует способность материалов получать большие остаточные деформации без разрушения. Хрупкость – это способность материалов разрушаться под действием внешних сил без образования заметных остаточных деформаций. Деление материалов на пластичные и хрупкие в некоторой степени условно, но вполне оправдано практическими целями. Для количественной оценки степени деформаций металлов и сплавов используют величины их абсолютных и относительных деформаций.

Относительная линейная деформация материала равна отношению абсолютной линейной деформации к первоначальной расчетной длине материала :

= .

Относительную линейную деформацию, определяемую при разрыве металлов и сплавов, принято называть относительным удлинением.

Прочность – это способность материала в определенных пределах воспринимать воздействие механических нагрузок не разрушаясь. Действие нагрузок приводит к возникновению в материале напряжений. При одноосном растяжении или сжатии напряжение численно равно величине внешней нагрузки F, приходящейся на единицу площади поперечного сечения S образца материала:

= .

Согласно закону Гука в пределах упругости существует линейная зависимость между напряжением , возникающим в материале под действием внешних сил, и деформацией :

= E , МПа.

Величина E представляет собой коэффициент пропорциональности, который называют модулем упругости первого рода, или модулем Юнга. Он измеряется в тех же единицах, что и напряжение. Модуль упругости является мерой жесткости материала.

Предел упругости равен такому наибольшему напряжению, при котором материал не получает остаточных деформаций.

Предел текучести – равен такому напряжению, при котором начинается пластическое течение металла:

= .

Возникновение продольных деформаций при действии внешних сил сопровождается появлением поперечных деформаций. Отношение относительной поперечной деформации к величине относительной продольной деформации называют коэффициентом Пуассона:

= .

При растяжении происходит сужение поперечного сечения. Относительное поперечное сужение равно отношению абсолютного уменьшения площади поперечного сечения к площади начального поперечного сечения S:

ψ = .

Прочность и жесткость материалов характеризуют диаграммой деформаций, построенной в координатах «относительная деформация - напряжение» по результатам лабораторных испытаний.

Истинное сопротивление разрыву материалов определяют делением максимальной растягивающей силы F_max на фактическую площадь его поперечного сечения в месте разрыва (1- ψ) S :

_и = , МПа.

Временное сопротивление разрыву вычисляют делением максимальной растягивающей силы F_max на площадь поперечного начального поперечного сечения S образца материала:

= , МПа.

Предел прочности при осевом сжатии R_сж равен отношению разрушающей сжимающей силы к первоначальной площади поперечного сечения образца материала:

R_сж = , МПа.

Предел прочности при изгибе определяют испытанием материала изгибающей нагрузкой до разрушения. Образцы для испытания имеют цилиндрическую или призматическую форму. Например, при испытании серого чугуна применяют цилиндрические образцы двух типов диаметром 30 мм длиной 680 и 340 мм соответственно.

Образцы материалов размещают на двух опорах и нагружают одной или двумя сосредоточенными силами. Предел прочности материала при изгибе вычисляют по формуле

R_изг = ,МПа,

где M - изгибающий момент; W - момент сопротивления сечения образца.

Прочность материалов используют при делении многих конструкционных материалов на марки и классы. Экспериментально установлено, что показатели прочности материалов зависят от формы и размеров образцов, скорости нагружения, температуры и состояния опорных поверхностей. Поэтому все условия испытаний регламентированы стандартами или техническими условиями.

Удельная прочность (коэффициент конструкционного качества) - это сравнительный показатель, который используют для сопоставления эффективности различных конструкционных материалов. Он равен частному от деления предела прочности материала при сжатии R_сж, кг/см² , на плотность кг/м³:

R_уд (ККК) = .

Ползучесть – это свойство, проявляющееся в медленном нарастании в материале с течением времени пластических деформаций при стационарном силовом воздействии меньшем такого, которое может вызвать остаточную деформацию при кратковременном испытании. Экспериментально для исследуемого материала можно получить «кривую ползучести» - зависимость остаточных деформаций от времени при данном постоянном напряжении. У материалов, проявляющих ползучесть, прочность оценивают величиной предела ползучести – такого условного постоянного напряжения, которое вызывает за определенное время скорость или деформацию ползучести, не превышающие определенной заданной величины.

Твердость – это сопротивление материала местной (локальной, поверхностной) пластической деформации. Существует ряд методов оценки твердости конструкционных материалов. При определении твердости металлов часто используют пробы по Бринеллю. Метод измерения твердости по Бринеллю применяют для метал­лов с твердостью не более 450 НВ. Сущность метода заключается во вдавливании шарика стального или из твердого сплава в образец (изде­лие) под действием усилия, приложенного в течение определенного времени, перпендикулярно к поверхности образца, и измерении диа­метра отпечатка после снятия нагрузки. Минимальная толщина образца должна быть не менее 8-кратной глубины отпечатка. Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется как отноше­ние усилия F (кгс) к площади поверхности отпечатка (мм²), образо­вавшегося в испытуемой поверхности при вдавливании шарика:

HB = ,

где F - усилие, кгс (Н); D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечат-

ка, мм.

Для испытания используют шарики диаметром I; 2,0; 2,5; 5,0 и 10 мм. Диаметр шарика D, соответствующее усилие F и продолжи-тельность выдержки усилия выбирают в соответствии с рекомендациями ГОСТ 9012 так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах от 0,24 до 0,60 D. Для испытаний по Бринеллю применяют твердомер типа ТШ-2М.

В ряде случаев применение метода Бринелля для определения твердости не представляется возможным. Например, нельзя испытывать образцы стали после химико-термической обработки поверхности, вви­ду малой толщины обработанного слоя. По методу Роквелла твердость определяется на приборе ТК-2М вдавливанием в испытуемый образец стального шарика диаметром 1,58 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120 ° под действием двух последовательно прила­гаемых усилий: предварительного F₀ = 98Н и общего F, равного сумме предварительного и основного усилия. Алмазный конус применяется для испытания более твердых материалов, а шарик, соответственно, более мягких. Алмазным конусом можно испытывать материал толщи­ной до 0,4 мм, а шариком до 2 мм.

Для определения твердости по Роквеллу необходимо установить с помощью индикатора часового типа разность глубин отпечатков l, полученных действием общего и предва­рительного усилия. Численное значение твердости соответствует разности показаний условной шкалы индикатора, разбитой на 100 делений. Внедрение наконечника на 0,002 мм соответствует перемеще­нию стрелки на одно деление. На циферблате изображают две шкалы: красную и черную. Красная шкала используется в случае испытания шариком, она смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений. Это обусловлено большими глубинами погружения ша­рика при стандартных нагрузках в сравнении с алмазным конусом.

В приборе предусмотрены три диапазона измерений. В зависимости от предположительной твердости материала выбирают шкалу и наконеч­ник. Если работают по шкале С или А, то устанавливают алмазный ко­нус, если по шкале В - стальной шарик диаметром 1,58 мм. Числа твер­дости по Роквеллу, выраженные в условных единицах, связываются с глубиной внедрения наконечника.

По шкале А испытания проводят алмазным конусом при общей нагрузке 588 Н, и число твердости вычисляют по формуле

HRA=l00-l.

По шкале С испытания проводят алмазным конусом при нагрузке 1470 Н, и твердость определяют по аналогичной формуле

HRC= 100-l.

При измерении твердости по шкале В твердость по Роквеллу оп­ределяют погружением стального шарика под усилием 980 Н и вычис­ляют по формуле

HRB= 130 – l.

Величину l определяют по формуле

l = ,

где h₀ - глубина отпечатка под действием предварительного усилия;

h - глубина отпечатка под действием общей нагрузки;

0,002 - цена деления шкалы индикатора твердомера Роквелла, мм.

На практике числа твердости по Роквеллу обычно отсчитывают по шкале индикатора непосредственно в процессе испытания.

Метод Виккерса позволяет измерять твердость в широком диапа­зоне нагрузок, испытывать самые твердые металлы и сплавы, опреде­лять твердость очень тонких слоев при незначительном повреждении их поверхности, испытывать образцы простой конфигурации с максималь­ной высотой менее 240 мм и расстоянием от центра отпечатка на образ­це до края станины прибора менее 125 мм.

Метод основан на вдавливании алмазной пирамиды в испытывае­мый материал. Алмазная пирамида имеет квадратное основание и угол между противоположными гранями 136°. При определении твердости по Виккерсу усилие вдавливания вы­бирают в зависимости от толщины образца или слоя испытуемого ме­талла и его предполагаемой твердости. ГОСТ 2999-75 рекомендует применять для испытаний одно из следующих усилий: 50, 100, 200, 300, 500, 1000 и 1200 Н.

Твердость по Виккерсу (HV) определяется как отношение усилия F к площади пирамидальной поверхности отпечатка и выражается формулой

HV = , Н/мм²,

где F- усилие, Н;

d - среднее арифметическое значение длин диагоналей отпе­чатка после снятия усилия, мм;

α - угол между противоположными гранями пирамиды.

Расстояние между центром отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпе­чатка. Минимальная толщина испытываемого образца или слоя должна быть больше диагонали отпечатка для изделий из черных металлов в 1,2 раза, для цветных металлов - в 1,5 раза.

Символ НV сопровождается индексом, указывающим усилие и длительность его приложения. Например, НV 300/60 означает твердость по Виккерсу, измеренную при нагрузке 300 Н, приложенной в течение 60 с.

При определении твердости методом упругой отдачи (по Шору) измеряется высота отскакивания от испытуемого металла стандартного бойка, свободно падающего с постоянной высоты. Боек изготавливается из закаленной стали или из стали с алмазом на конце и имеет определенный вес. Высота отскакивания автоматически отмечается стрелкой на круговой шкале, показывающей значение твердости.

Ударная вязкость характеризует динамическую или ударную прочность материалов, так как отражает их способность сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Для определения ударной вязкости образцы в виде брусков квадратного сечения с надрезом в середине подвергают испытанию на ударный изгиб на маятниковом копре Шарпи. Этот способ испытания хорошо выявляет склонность материалов к хрупкому разрушению. Ударную вязкость материала определяют отношением работы А к площади поперечного сечения образца в месте надреза S:

а = , МДж/м² .

При спущенном маятнике на столик копра закладывают образец размером 10х10х55 мм. Расстояние между упорами составляет 40 мм. Надрез в средней части образца должен точно располагаться против острия ножа маятника. К маятнику должна быть обращена не надрезанная сторона образца. Маятник поднимают на определенную высоту h₁ и закрепляют. После освобождения маятник под действием силы тяжести падает и ломает образец в плоскости надреза. Пролетая дальше, маятник поднимается на высоту h₂. Угол взлета маятника после перелома образца указывается стрелкой на круговой шкале прибора при вертикальном положении остановившегося маятника. Величина работы, затраченной на излом образца равна

А = Мg (h₁-h₂),

где М – масса маятника, g- ускорение свободного падения.

При проведении испытания пользуются таблицами, для определения величины работы, затраченной на перелом образца, в зависимости от угла .

Износостойкость – сопротивление металла или сплава изнашиванию. Может характеризоваться потерей массы, объема, линейных размеров или их отношением ко времени изнашивания, к площади изнашивания, пути трения, выполненной работе и др.

Жаростойкость – свойство сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Хладостойкость – способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 °С.

Жаропрочность - способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах. Жаропрочность оценивают испытанием на растяжение при высокой температуре. Испытания производятся на специальных машинах при приложении к образцу постоянной нагрузки. Нагрев образца, укрепленного в резьбовых захватах, производят в круглой муфельной печи, надетой на образец. Температура печи автоматически поддерживается постоянной. Пределом длительной прочности при заданной температуре является максимальное напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь при заданном времени испытания.